Патент на изобретение №2311711

Изобретение относится к релейной защите линий электрических сетей и может быть использовано для построения более чувствительной токовой отсечки с выдержкой времени для линий, шунтированных параллельными или обходными связями.

Известен выбранный в качестве прототипа способ построения и настройки второй ступени или отсечки с выдержкой времени для линий, например, ступенчатой токовой защиты нулевой последовательности (СТЗНП) [1. Руководящие указания по релейной защите. Вып.12. Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. – М.: Энергия, 1980. – 88 с., 2. Федосеев A.M. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 520 с.], состоящий в том, что на каждом конце защищаемой линии к трансформаторам тока подключается релейный измерительный орган (ИО) с разрешением действия в направлении защищаемой линии. Уставка каждого ИО отстраивается от максимального тока помехи, протекающего через измерительный орган (ИО): при коротких замыканиях (КЗ) на противоположных выводах (сторонах) предыдущих в направлении действия защиты трансформаторов и автотрансформаторов относительно вывода (стороны), которым каждый из них подключен к одному из противоположных концов защищаемой линии относительно конца расположения аппаратуры отсечки; при КЗ на предыдущих линиях в условиях согласования по чувствительности с быстродействующими защитами этих линий; при анормальных (асинхронных и неполнофазных) режимах на защищаемой и предыдущих линиях. Обязательно проверяется чувствительность при минимальных токах через ИО при КЗ на противоположных концах защищаемой линии относительно конца – места размещения аппаратуры.

Так как область действия ИО отсечки с выдержкой времени распространяется на предыдущие элементы сети, с быстродействующими каналами релейной защиты которых производится согласование по чувствительности названной отсечки, то, чтобы обеспечить более раннее (селективное) срабатывание названных быстродействующих каналов при КЗ на предыдущих элементах сети, но в области действия (ОД) ИО рассматриваемой отсечки с выдержкой времени, для действия последней предусматривается задержка на время, называемое ступенью селективности.

Чувствительность токовых релейных защит зависит от ряда факторов: режима источников, режима нейтралей трансформаторов и автотрансформаторов, вида КЗ, вида фиксируемого тока (фазный ток, ток симметричных составляющих, функция фазных токов и симметричных составляющих), коммутационных состояний сети и особенно от коммутационного состояния параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию. Последнее может обусловить недостаточную чувствительность при ряде сочетаний перечисленных факторов. Так, вследствие шунтирования параллельными линиями и обходными связями защищаемой линии ток КЗ на пинии, протекающий через токовую защиту, реагирующей на индивидуальный ток защищаемой линии, может сильно уменьшиться и коэффициент чувствительности не достигнет требуемого минимально-возможного уровня.

Существующий способ построения и настройки описанной отсечки с выдержкой времени характеризуется следующими операциями: подключением релейного измерительного органа к датчику тока на интересующем конце защищаемой линии электрической сети, измерением и сравнением измеренного тока в области действия ИО с расчетной уставкой в течение заданного времени (ступени селективности). По истечении этого времени формируется потенциальный сигнал срабатывания для отключения коммутационным аппаратом на указанном конце защищаемой линии тока, протекающего через датчик тока к месту короткого замыкания на линии, и таким образом выполняется функция, возложенная на отсечку с выдержкой времени. Данный способ построения и настройки токовой отсечки с выдержкой времени с возможной недостаточной чувствительностью рассматривается прототипом предлагаемого способа.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение минимальной чувствительности токовой отсечки с выдержкой времени для случаев шунтирования защищаемой линии параллельными линиями и обходными связями электрической сети.

Поставленная задача решена за счет того, что в способе построения и настройки токовой отсечки с выдержкой времени так же, как в прототипе, подключают релейный измерительный орган к датчику тока на интересующем конце защищаемой линии электрической сети, измеряют и сравнивают ток датчика при коротком замыкании в области действия измерительного органа с расчетной уставкой в течение заданного времени и получают после этого потенциальный сигнал срабатывания для отключения коммутационным аппаратом на указанном конце защищаемой линии тока, протекающего через датчик тока к месту короткого замыкания.

Согласно изобретению суммируют токи датчиков на интересующем конце защищаемой линии с токами датчиков ближайших концов других параллельных и обходных связей электрической сети, шунтирующих защищаемую линию, подключают релейный измерительный орган на сумму указанных токов, измеряют и сравнивают полученную сумму токов с расчетной уставкой в течение заданного времени, и получают после этого потенциальный сигнал срабатывания для отключения коммутационным аппаратом на указанном конце защищаемой линии тока, протекающего через датчик тока защищаемой линии к месту короткого замыкания.

Суммирование с током защищаемого объекта токов параллельных и обходных связей обусловливает эффект изобретения. Суммирование приводит к количественному преобразованию суммарного тока по сравнению с током только защищаемого объекта, причем это преобразование является неоднозначным. По мере движения точки КЗ вдоль пространства защищаемого объекта от конца, где расположен датчик тока, к противоположным концам токи параллельных и обходных связей или добавляемые токи сначала направлены противоположно току поврежденной линии и уменьшают его, затем названный эффект снижается так, что при КЗ в некоторой точке этого пространства добавляемые токи становятся равными нулю, а далее по мере продвижения точки КЗ к противоположным концам защищаемой линии снова возрастают по величине, но теперь они совпадают по знаку с током защищаемой линии. По сравнению с использованием только тока защищаемой линии кривая суммарного тока с добавляемыми токами параллельных и обходных связей при КЗ вдоль защищаемой линии выравнивается, т.е. заметно менее изменяется при КЗ в разных местах защищаемой линии. Таким образом, при КЗ в начале защищаемой линии суммарный ток уменьшается, а при КЗ в конце линии, наоборот, увеличивается по сравнению с током самой защищаемой линии. При этом наибольшее увеличение суммарных токов по сравнению с током самой защищаемой линии имеет место при КЗ на противоположных концах защищаемой линии. Последнее является необходимым фактором повышения чувствительности отсечки с выдержкой времени линий. Степень описанного выравнивания и увеличения тока через отсечку с выдержкой времени определяется добавляемыми токами, которые зависят от ряда вышеуказанных факторов: мощности и режима источников, коммутационных состояний сети, видов КЗ и др.

Уставка обычной отсечки с выдержкой времени, реагирующей только на ток защищаемой линии выбирается по ряду условий: отстройка от максимального тока КЗ на противоположных выводах предыдущих трансформаторных элементов, от максимального тока асинхронного или неполнофазного режима защищаемой и предыдущих линий путем увеличения тока на 30%; согласование по чувствительности с быстродействующими каналами защит предыдущих линий путем увеличения на 10% максимального тока, протекающего по защищаемой линии при КЗ на предыдущих линиях в условиях, когда быстродействующие защиты последних находятся на грани срабатывания. Выбирается для установки на аппаратуре уставка тока по условию, при котором она является наибольшей.

Эти рекомендации применимы и для уставки отсечки с выдержкой времени, реагирующей на максимальный суммарный ток с добавлением токов параллельных и обходных связей при КЗ в указанных условиях и расчетных точках области действия ИО отсечки с выдержкой времени. Так как эти значения больше значений тока только защищаемого объекта при существующих индивидуальном построении и настройке отсечки с выдержкой времени, уставка при учете токов параллельных и обходных связей будет больше.

Максимальные и минимальные значения токов при КЗ вдоль пространства защищаемой линии объекта при построении и настройке отсечки по предлагаемому и существующему способам являются противоположными. Так, при выборе уставки (ток должен быть максимальным) по существующему способу все шунтирующие связи отключаются, а в предлагаемом способе, наоборот, включаются. В случае проверки чувствительности требуется минимальный ток. В существующем способе все параллельные и обходные связи должны быть включены, по предлагаемому способу – отключены. Поэтому минимальные значения кривой суммарного тока по предлагаемому способу будут существенно больше и резко изменяться, т.к. в минимальном режиме источников сети параллельные и обходные связи должны быть разорваны (самый неблагоприятный случай по минимальности токов в предлагаемом способе). Но такая топология шунтирующих параллельных и обходных связей неизбежно приводит, с одной стороны, к резкому изменению измеряемых токов при КЗ вдоль пространства защищаемого объекта (как при построении отсечки по существующему способу), а именно к увеличению токов через отсечку при КЗ на головных участках пространства защищаемого объекта (параллельные и обходные связи отключены), а с другой стороны, к незначительному уменьшению всех значений токов через отсечку только за счет минимального режима источников. Минимальные значения токов при КЗ вдоль пространства защищаемого объекта при построении и настройке отсечки по существующему способу будут реализовываться, наоборот, при всех включенных параллельных и обходных связях, но токи этих связей не суммируются с током защищаемого объекта. Поэтому токи через отсечку будут небольшими. Таким образом, проверка минимальной чувствительности отсечки с выдержкой времени при КЗ на противоположных концах линии (в наиболее неблагоприятных местах) показывает: при реагировании отсечки с выдержкой времени на суммарный ток защищаемой линии, параллельных и обходных связей отношение тока через отсечку к уставке (коэффициент чувствительности) значительно больше, чем в случае отсечки, реагирующей на ток только защищаемой линии. В наибольшей степени увеличение коэффициента чувствительности отсечки с выдержкой времени, реагирующей на суммарный ток защищаемой линии, параллельных и обходных связей, по сравнению с аналогичной отсечкой, но реагирующей только на ток защищаемой линии, имеет место при наличии большой подпитки (мощного источника) на противоположных концах защищаемой линии. В качестве названного источника подпитки может быть мощная многоагрегатная электростанция или мощные автотрансформаторы при использовании для построения защит в качестве параметра реагирования тока нулевой последовательности.

Далее предлагаемый способ поясняется примером с чертежами: фиг.1, где представлены схема электрической сети и структура построения токовой отсечки с выдержкой времени на одном из концов защищаемой линии, шунтированной одной параллельной линией и одной обходной связью, также предыдущие элементы в направлении действия названной отсечки, и фиг.2, на которой показаны кривые утроенных токов нулевой последовательности, протекающие через токовую отсечку с выдержкой времени защищаемой линии при КЗ на этой и предыдущей линиях, также уставки при существующем индивидуальном (штрихпунктирная графика) и предлагаемом (сплошная графика) способе построении и настройки токовой отсечки без выдержки времени.

На фиг.1 показан фрагмент высоковольтной электрической сети, состоящий из двухконцевых линий: защищаемой 1, параллельной 2, образующих обходную связь 3 и 4, шин 5 и 6 двух подстанций, шины 7 промежуточной подстанции обходной связи, источников 8 и 9, соответственно через двухконцевые линии 10 и 11 присоединенных к шинам 5 и 6 подстанций сети. В составе сети могут быть также многоконцевые линии, двухобмоточные и многообмоточные трансформаторы и автотрансформаторы, другие компоненты. В рассечку линий фиг.1 на каждом их конце включены коммутационные аппараты и датчики высоковольтного тока, однако показаны только те, которые упоминаются в описании. Так, на фиг.1 показан датчик тока 12 (Д1) защищаемой линии 1, который через последовательно связанные сумматор 13 (СУ), измерительный орган 14 (ИО) и элемент выдержки времени 15 (ВВ) подключен к коммутационному аппарату 16, отключающему этот конец линии 1 при КЗ на ней. Датчики тока 17 (Д2) параллельной линии 2 и 18 (Д3) на линии 3 обходной связи включены в рассечки линий 2 и 3, присоединенных к шине 5. Выходы этих датчиков подключены к сумматору 13 (СУ) и добавляют токи параллельной и обходной связей к току датчика 12 защищаемой линии 1. В схему сети входят также предыдущие элементы: автотрансформатор 19, который через коммутационный аппарат 20 подключен к шине 6, две параллельные линии 21 и 22 между шинами 6 и 23, причем линия 21 подключена через коммутационный аппарат 24 к шине 6. Шина 23 через линию 25 соединена с источником 26. Коммутационный аппарат 16 и датчик 12 (Д1) защищаемой линии 1, а также датчики 17 (Д2) параллельной линии 2 и 18 (Д3) линии 3, входящей в обходную связь, размещены на территориально близких концах линий 1, 2, 3, присоединенных к шине 5. Другие концы линий 1 и 2 и один конец линии 4 соединены с шиной 6. Концы линий 3 и 4 обходной связи подсоединены к шине 7 промежуточной подстанции. Через включенные в рассечки на концах линий коммутационный аппарат 16 и датчики 12 (Д1), 17 (Д2) и 18 (Д3) посредством шины 5 объединяются линии 1, 2, 3: через датчик 12 с коммутационным аппаратом 16, а через последний с линией 1, через датчик 17 с линией 2, через датчик 18 с линией 3. Выходы датчиков тока 12 (Д1), 17 (Д2) и 18 (Д3) соединены через сумматор 13 (СУ) с релейным измерительным органом 14 (ИО), выход последнего через элемент выдержки времени 15 (ВВ) подключен на вход коммутационного аппарата 16 защищаемой линии 1.

Функционирование варианта реализации предлагаемого способа по фиг.1 осуществляется следующим образом. В трехфазной симметричной электрической сети, показанной на фиг.1 в однофазном изображении, источники 8, 9 и 26 (трехфазные синхронные генераторы) вырабатывают трехфазную электрическую мощность, которая соответственно по линиям 10, 11 и 25 поступает в сеть. Мощность в рабочих режимах распределяется на нагрузки и автотрансформатор 19, подключенные к сети (нагрузки на фиг.1 не показаны). Все представленные на фиг.1 линии являются двухконцевыми. На каждом конце линий установлены трехфазные коммутационные аппараты (выключатели), способные отключать линию от сети у конца, где расположены. На фиг.1 показаны только три коммутационных аппарата: 16, который отключает линию 1 от шин 5, 20, которым подключается автотрансформатор 19 к шине 6 и 24, которым линия 21 подключается к шине 6. Датчики высоковольтного тока 12 (Д1), 17 (Д2) и 18 (Д3) соответственно на защищаемой 1, параллельной 2 и входящей в обходную связь линии 3 преобразуют первичные высоковольтные токи во вторичные безопасные. Вторичные токи поступают на входы сумматора 13 (СУ), где они суммируются и поступают на вход релейного измерительного органа 14 (ИО), который, если сумма превышает уставку, срабатывает и подает сигнал на элемент выдержки времени 15 (ВВ), который через заданное время вырабатывает потенциальный сигнал для отключения коммутационного аппарата 16. В противном случае отсечка не работает и находится в состоянии ожидания.

На фиг.2 представлены кривые токов через ИО при КЗ вдоль защищаемой 1 и предыдущей 21 линий как зависимости от длины L_л или сопротивления прямой последовательности Z_л короткозамкнутой цепи от места установки отсечки у выключателя 16 в направлении ее действия до места КЗ на защищаемой линии и от шины 6 до места КЗ на предыдущей линии. Кривые максимальных (нижний индекс «а») и минимальных (нижний индекс «и») даны для токов через аппаратуру левого конца защищаемой линии 1 (коммутационный аппарат 16) при КЗ вдоль этой линии в направлении ее правого конца и далее вдоль предыдущей линии 21 (дополнительный нижний индекс 16 в обозначениях). Также даны максимальные и минимальные токи через аппаратуру левого конца предыдущей линии 21 (коммутационный аппарат 24 и дополнительный нижний индекс 24 в обозначениях). В результате имеют место следующие изменяющиеся токи, уставки и другие величины:

– при использовании в защите токов шунтирующих защищаемую линию параллельных и обходных связей (сплошные линии, наличие дополнительного нижнего индекса «р» в обозначениях токов):

I_16pа – максимальная величина тока в ИО защищаемой линии 1 (через выключатель 16) при всех включенных шунтирующих параллельных и обходных связях,

I_ри – минимальная величина тока через ИО защищаемой линии 1 (через выключатель 16) при отключенных шунтирующих параллельных и обходных связях,

– уставка отсечки с выдержкой времени линии 1 с учетом шунтирующих параллельных и обходных связей,

Z_л и L_л – сопротивление (Ом) и длина (км) от места размещения аппаратуры отсечки с выдержкой времени до места КЗ на защищаемой линии 1, также от начала предыдущей линии 21 (у выключателя 24) до места КЗ на данной линии,

I_24a – величина тока в ИО предыдущей линии 21 (через выключатель 24) в тех же условиях, что и максимальная величина тока в ИО защищаемой линии 1 (через выключатель 16), т.е. при всех включенных шунтирующих параллельных и обходных связях относительно защищаемой линии 1,

– уставка отсечки без выдержки времени на предыдущей линии 21;

– при неиспользовании токов шунтирующих параллельных и обходных связей (штрихпунктирные линии при отсутствии какого-либо дополнительного нижнего индекса):

I_16a – максимальная величина тока через ИО защищаемой линии 1 (через выключатель 16) при всех отключенных шунтирующих параллельных и обходных связях,

I_16и – минимальная величина тока в ИО защищаемой линии 1 (через выключатель 16) при включенных шунтирующих параллельных и обходных связях,

– уставка отсечки с выдержкой времени линии 1 без использования токов шунтирующих параллельных и обходных связей.

Кривые токов (фиг.2) при КЗ вдоль защищаемой линии Л1 построены для двух сочетаний факторов, обусловливающих максимально и минимально наблюдаемые значения токов. Уставки отсечки с выдержкой времени, представленные на фиг.2, по предлагаемому способу суммирования с током защищаемой линии токов шунтирующих параллельных и обходных связей и по существующему способу определяются по одним и тем же рекомендациям [1] по ряду названных ранее условий, в том числе по условию согласования по чувствительности с уставками быстродействующих защит предыдущих линий, в частности, с отсечкой без выдержки времени предыдущей линии 21 (уставка ).

Отличие состоит только в том, что по предлагаемому способу используется суммарный ток, протекающий как по защищаемой линии, так и по шунтирующим параллельным и обходным связям, а по способу прототипа – только ток, протекающий только по защищаемой линии. В обоих случаях расчетные токи увеличиваются на 10%, что и составляет уставки соответственно и . Определение расчетных токов и уставок и наглядно показано на фиг.2. Из точки пересечения кривой тока I_24a предыдущей линии 21 при КЗ на ней с уставкой отсечки без выдерки времени этой линии опускаются вертикальные линии до пересечения с кривыми токов защищаемой линии: суммарному току I_16ра (сплошная кривая) по предлагаемому способу и индивидуальному току I_16a (штрихпунктирная кривая) по существующему способу. В точках пересечения образуются расчетные величины этих токов, которые затем увеличиваются на 10% для получения уставок. Эти увеличенные значения (уставки) на фиг.2 показаны соответственно сплошной и штрихпунктирной линиями. Из фиг.2 также видно, что минимальный коэффициент чувствительности (отношение минимального тока при КЗ на противоположном конце защищаемой линии, т.е. значения кривых токов I_16ри и I_16и соответственно к полученным уставкам и ) дает значения больше единицы (несколько больше 1, 3) при построении и настройке отсечки с выдержкой времени по предложенному способу и заметно меньше единицы – по существующему способу.

Увеличение минимального коэффициента чувствительности отсечки с выдержкой времени линии по предложенному способу по сравнению с чувствительностью аналогичной отсечки по существующему способу имеет место всегда, но чем больше подпитка на противоположных концах линии, тем этот эффект выше и практически более значим, т.е. коэффициент чувствительности более существенно больше единицы.

Предложенный способ построения и настройки токовой отсечки с выдержкой времени может быть применен для разных защищаемых линий электрических сетей, шунтированных параллельными и обходными связями. Применение изобретения не только увеличивает минимальную чувствительность отсечки с выдержкой времени, но также при этом возрастают помехоустойчивость и надежность действия защиты, т.к. сигналы, на которые реагирует ИО, больше по сравнению со случаем построения и настройки защиты по существующему индивидуальному способу. При этом имеет место как технический, так и экономический эффект предлагаемого способа построения и настройки отсечки с выдержкой времени за счет снижения количества отказов.

Формула изобретения

Способ построения и настройки токовой отсечки с выдержкой времени путем подключения релейного измерительного органа к датчику тока на интересующем конце защищаемой линии электрической сет измерения и сравнения тока датчика при коротком замыкании в области действия измерительного органа с расчетной уставкой в течение заданного времени и получения после этого потенциального сигнала срабатывания для отключения коммутационным аппаратом на указанном конце защищаемой линии тока, протекающего через датчик тока к месту короткого замыкания, отличающийся тем, что суммируют токи датчиков на интересующем конце защищаемой линии с токами датчиков ближайших концов других параллельных и обходных связей электрической сети, шунтирующих защищаемую линию, подключают релейный измерительный орган на сумму указанных токов, измеряют и сравнивают полученную сумму токов с расчетной уставкой в течение заданного времени и получают после этого потенциальный сигнал срабатывания для отключения коммутационным аппаратом на указанном конце защищаемой линии тока, протекающего через датчик тока защищаемой линии к месту короткого замыкания.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 17.08.2008

Извещение опубликовано: 20.04.2010 БИ: 11/2010